人因分析在北京冬奥会首钢滑雪大跳台“雪飞天”设计中的应用

张利，朱育帆，谢祺旭，梅笑寒

2022年2 月，在北京冬奥会中，谷爱凌、苏翊鸣等运动员青春绽放的精彩表现令首钢滑雪大跳台进入了普通公众的视野。人们透过这个即便是在冰雪运动中亦堪称极限的竞技项目记住了大跳台所承载的飞行翻腾的轨迹，也进而对大跳台所展现的近乎超现实的工业遗存再利用方式充满了好奇。体育、建筑物与城市更新思路的崭新连接一度让首钢滑雪大跳台成为国内与国际社交媒体上的热门话题之一（图1）——虽然对大部分事物而言，社交媒体的关注不一定是好事，但这次对首钢滑雪大跳台来说——国内与国际公众的大面积关注对体育和城市来说都是好消息。首钢的工业遗产奥运故事被普遍认同，带给人们对北京城市更新魄力的认识，也带给相对小众的大跳台运动新的发展契机。国际雪联大跳台竞赛主任罗伯特·莫雷西（Roberto Moresi）在赛后致电大跳台设计团队表示，“感谢你们，感谢首钢，感谢北京，让我们未来五年的比赛在过去的数天内都预订完了，这是前所未有的。我为我的运动感到骄傲。”

图1 社交媒体上的首钢滑雪大跳台

对于运动员而言，首钢滑雪大跳台提供了难忘的记忆。它的设计得到了包括谷爱凌——她在接受采访时提到对坡度和稳定性的突出感受——在内的运动员们的普遍认同[1]；这其中，除了永久竞赛设施对运动员动作的支持外，跳台的形象、色彩和站在跳台上的空间认知体验也是经常被谈及的[2]。

对于观众和公众而言，首钢滑雪大跳台提供了令人兴奋的城市识别性元素。大跳台的形体与冷却塔群一起形成了永定河东岸的新城市天际线，也为长安街沿线上的首钢大桥以及周边数公里内的高层建筑上的影友提供了喜爱的拍摄对象（图2）。不仅如此，以大跳台为重要吸引点的群明湖——即冷却塔下的原首钢冷却池——环湖公园也成为了普通家庭日常乐于前往的公共休闲空间（图3）。

图2 城市摄影爱好者镜头下的首钢滑雪大跳台

图3 赛后的首钢滑雪大跳台环湖公园

不论在体育工艺方面还是在城市形像方面，首钢滑雪大跳台的设计很多部分是沿着传统设计流程进行的：概念—形态生成与初步设计决策—结合设计媒体（图、模型）的试错优化—最终设计决策。在这一传统流程中，设计的驱动完全依赖设计者的想像与主观经验判断。“雪飞天”的灵感来自运动项目英文名称“Big Air”，与中文“飞天”的飘带契合，即是这样一例[3]（图4）。但首钢滑雪大跳台的设计流程中也有一些非传统的部分——它不再完全依赖设计者的想像与主观经验判断，而是引入人因分析，通过提供客观测度数据，在设计的末端问题上协助设计者进行更为精细化的设计决策。

图4 夜景下的首钢滑雪大跳台

有意思的是，在建成空间设计领域内引入人因分析，最早恰恰缘自申办冬奥时对冬季运动项目模拟训练的观摩。在仿真平台上进行的、以提升运动员的运动效能为目的的运动员生理、心理数据实时采集与分析，启发设计者们思考将相关的人因技术推广到普通人的城市空间体验测度上。虽然本文在此无力详述其所涉及的复杂的视觉感知、自主神经、体态特征等方面的采集与分析技术，但这些技术能够带给传统设计流程的改变与扩充是显而易见的 （图5）。可以说，一种以客观数据辅助、增进主观判断的设计方法正呼之欲出，而且越接近设计的末端，这种辅助与增进效果会越明显[5]。

图5 引入人因分析的冬奥场馆建筑设计进程

在首钢滑雪大跳台的设计中，人因分析为设计团队在两个设计问题上提供了客观数据的支持：（1）大跳台方位角对观者天际线认知的影响；（2）群明湖畔公众环湖漫游时的活动节奏与视觉关注预测。两个问题貌似无关大局的细枝末节，事实上对大跳台及群明湖环境的整体认同感与赛后休闲体验至关重要。上述两个问题还具备一个共性特征：很难完全基于传统经验积累形成准确的判断。

1 大跳台方位角

这个问题产生于“雪飞天”造型灵感以及运动员出发位置决定以后。从竞赛工艺的角度，在防风计算、气候统计及群明湖水体充分保持的前提下，大跳台方位角从正东向顺时针旋转约25°至正东向逆时针旋转约10°的范围内都是可行的。不同的方位角当然会形成各有千秋的结束区及观众席效果，但其最主要的影响，是建成后的大跳台与冷却塔群共同组成的天际线的不同。

这是一个颇具挑战性的问题，直接关系到大跳台能否得到从首钢人到北京人的群体认同，关系到大跳台能否像人们期待的那样成为一个工业遗产结合奥运带动城市更新的正向标识。近一个世纪以来，以群明湖水面为前景、以湖西岸冷却塔群为中景、以远处的西山为背景的天际线是首钢人乃至北京人心目中的工业集体记忆，大跳台的加入势必将改变这条天际线。但是，何种改变更能得到人们的认同，这一度是一个令人难以判断的问题。一位主管首钢工业园区建设的老首钢人曾明确指出这个问题的重要性：“从群明湖的东岸看过去，如果大跳台让人觉得与冷却塔群不和谐，改变了原来天际线的味道，项目就毫无成功可言了。”

心理学上的“锚固效应”[4]会使设计师在主观判断时倾向于选择可用明显几何控制线解释的方位角，比如平行于东南冷却塔圆心与制氧厂大厂房西北角的连线（正东向顺时针旋转25°），或索性平行于湖北侧管廊结构的正东方向，等等。但面对方位角问题对整个项目风险的巨大影响，这种主观判断既不能令设计者自己满意，也不能说服所有的利益相关方，为此，我们引入了人因分析实验。

实验在虚拟现实环境中进行，模拟跳台建成后，公众从园区走向湖岸，第一次看到湖对岸天际线的情景。不同场景间只有跳台方位角的差异，被试的视角沿同一路径、以相同速度向湖面前行。实验采集了该过程中被试相应的眼动及皮肤电导数据。

经过前期预实验筛选，我们将最后用于比较的方位角选择范围缩小到以下4个主要角度（图6、7）：正东向逆时针旋转 10°（-10°）、正东（0°）、正东向顺时针旋转 10°（10°）及 25°（25°）。相应地，实验分为4组进行，每组参与者只体验一个场景，避免不同场景间的干扰。每名被试进入实验场景前，先观看10min的其他城市空间场景，以充分适应虚拟现实环境；同时借助该阶段采集的皮肤电导数据，确定每名参与者的皮电反应（SCR）最高值，用于对实验的皮电反应数据进行范围校正，减小不同被试间的个体差异[5]。

图6 不同方位角下跳台与冷却塔形成的天际线

从注视时长看，在方位角为10°时，被试注视跳台和冷却塔的时长最长，同时跳台、冷却塔以及周边厂房这3个部分的注视时长分布较为均衡。而其他方位角中，被试的注视主要停留在周边厂房。据此我们认为，正东向顺时针旋转10°的方位角可以使跳台和冷却塔的新天际线组合在人群的视觉感知中具备较高的吸引力，同时与周边环境取得较好的平衡（图8）。

图8 不同方位角场景中被试的注视时长分布及平均皮电反应变化

我们进一步通过皮电反应变化分析人群在该过程中的唤醒度（arousal）1）变化。其中，方位角为负10°的场景中，被试全程的唤醒度明显低于另外3个场景。被试向湖岸前进过程中，方位角0°的场景中的被试皮电反应逐渐回落；而方位角10°和25°的场景中的被试在第8～12s间，出现了明显的第二个皮电反应。据此我们认为，方位角为正东顺时针旋转10°和25°时，随着步行过程中湖面视野逐渐打开，跳台与冷却塔构成的新天际线持续吸引多数被试的注意。

综合两部分数据分析，实验为设计提供了一条重要的参考：对于未来园区的使用群体而言，正东顺时针旋转10°的跳台与冷却塔的天际线组合具有接受度最高的视觉体验。这个结果有点出乎意料——它指向了一个“模棱两可”的角度，似乎在前述的设计师主观“锚固”选择之间进行了某种折衷。在检查、确认实验过程之后，在各利益相关方的支持下，大跳台最后以这一方位角建造。从大跳台整体轮廓在脚手架拆除前形成开始，至冬奥会比寒期间，至赛后的今天，大跳台与冷却塔的天际线关系没有受到质疑，得到了从首钢人到北京市民的普遍接受。前述主管园区建设的老首钢人也在大跳台竣工一个月后明确表示，“最担心的天际线问题，目前看是比较令人放心地解决了。”

2 群明湖周边的慢行空间节奏与视觉注意力预测

这个问题产生于大跳台的方位确定以及竞赛设施的总平面稳定以后。大跳台本身虽然可视化程度很高，但其特殊的竞赛工艺使其难以为普通人提供日常的运动休闲功能，虽然有沿着跳台两侧台阶的攀登活动，但其空间体验尚不足以形成完整的漫游经历。因此，大跳台脚下的群明湖环湖漫游是赛后利用必不可少的部分。

如前所述，群明湖这一美好的名字所指的实际上是一个原用于工业的矩形冷却池。如何通过改造后的岸线与环湖路径削减矩形周边的单调感，并且与大跳台等视觉吸引点形成互动，创造丰富度适中的慢行空间节奏，是对景观设计的挑战。景观设计师在此提出了一个令人振奋的创意：我们可以学习一个已知的更大的湖——颐和园的昆明湖。

这是一次大胆的基于拓扑同构转译的设计（图9）：我们可以明确识别出大跳台所起到的类似西堤的作用，以及群明湖北岸在类似昆明湖鱼藻轩位置和排云门位置所出现的公共空间节点变化。不过，这一设计概念如何通过设计决策实现预期效果，这里我们用到了人因分析来辅助预测。

图9 首钢群明湖向颐和园昆明湖学习：拓扑同构转译

辅助预测所使用的工具是我们通过采集城市空间眼动数据训练的深度学习预测模型，训练总计用到14万帧带有人群眼动标注的视频图像，包含注视点334万个。该预测模型可以为设计提供较为接近人群实际眼动行为的视觉注意力分布预测。在用于辅助群明湖岸线设计前，我们首先在颐和园昆明湖进行了预测效果检验 （图10）。通过预测结果与实际人群注视点分布的比较，我们确认了模型在环湖漫游这类场景中有较为可靠的预测性能。

图10 颐和园昆明湖环湖步行的人群注视点真实分布及预测模型预测结果

以环湖漫游的第一人称360°视角渲染视频作为输入，我们对人群漫游全程的视觉注意力分布进行了的预测。经过多轮测试和景观设计迭代，在最终的漫游序列中使用预测模型进行预估，可知在景观设计师沿环湖路径精心布置的公共空间节点上，大跳台是可预期的主要视觉吸引点。测试结果显示，在这一漫游序列中，人眼与大跳台将有较高的互动频率（图11）。

图11 方案环湖过程的视觉注意力预测结果

在大跳台建成后、周边区域尚未完全对公众开放前，我们利用全景视频和虚拟现实技术再次尝试让人“远程漫游”群明湖，采集了被试对实际建成空间的眼动数据（图12）。实验结果初步验证了预测模型的预估。在北岸步行过程中，跳台是人群重要的注视点分布区域。从各个被试注视点分布位置变化也能够明显看到，绝大部分被试在漫游过程中都会间歇性地注视大跳台，形成了一种有趣的视线互动节奏（图13）。

图12 建成后被试环湖过程的注视点分布

图13 各被试实验过程的注视位置变化

事实上，北京冬奥会之后，首钢滑雪大跳台及群明湖区域曾在春天向公众开放，虽然时间短暂，但这给了我们一点真正在赛后生活中验证设想和预测的机会。我们招募到少量被试，对其环湖的漫游数据进行采集，并代入到人因量谱图2）[6]中进行图解分析。

在实验中，被试间隔5min依次出发，环群明湖逆时针步行一周，期间可自行调整步速，也可在感兴趣的地点驻足停留。实验采集被试在环湖漫游过程中的步频、步长，结合GPS定位计算出被试在每段参考单位长度d0内的停留时长；同时采集皮电数据，并计算被试在相应d0内的积分皮电反应（ISCR）[7]；进行归一化处理后取平均值填入人因量谱图中。图中线框矩形面积表示参考停留时长，填充矩形面积表示实际停留时长（图14）或积分皮电反应（图15）。

图14 首钢滑雪大跳台人因量谱图[填充.停留时长]

图15 首钢滑雪大跳台人因量谱图[填充.积分皮电反应]

从停留时长看，填充部分矩形高度普遍高于线框部分，说明被试在环湖漫游时的步速略慢于正常行走时的参考步速，并在沉水步道区、跳台对岸观景平台、跳台底部呈现出更长的停留时间，推测被试更倾向于在这些空间驻足观景。积分皮电反应则更显著、更清晰地反应了被试在环湖漫游过程中不同位置唤醒程度的变化。从图中可以明显看出，在逆时针步行过程中，当被试从湖南侧转向东侧，大跳台及冷却塔开始出现在被试视野中时，被试的唤醒度明显提高；并在群明湖北岸、特别是在沉水步道区达到最高值（图16）。据此可知面向大跳台行进时被试的唤醒度维持在高水平，且可推测，被试在视线与水平面接近平齐时会得到独特的空间体验。

图16 从群明湖沉水步道看大跳台

从上面的分析可以看出，目前有限的被试数据分析结果对环群明湖空间节奏和视觉关注上的有关预测已经提供了一定支持。不过由于实验持续时间过于短暂和被试数量极其有限，这种分析的说服力暂时还无从谈起，有待获得赛后生活长期数据积累后方能形成有意义的结论。

3 小结

综上所述，我们可以得到3个并非结论性的、但可能是有益的观察：第一，对首钢大跳台及相关设施的设计而言，人因分析的引入对非竞赛相关内容的设计、特别是其设计末端问题的决策起到了增进的作用；第二，对包括首钢大跳台在内的冬奥场馆而言，目前已经进入了赛后日常使用阶段，赛后长期真实生活的人因测度数据采集将会推动大型运动会竞赛设施可持续设计的知识体更新；第三，包括人因分析在内的以客观数据支持的循证设计过程，应是在当代技术文明下对传统设计过程的延展与增益，而不是对传统设计过程的取代。建成空间的美好与诗意首先是来自人头脑的想像，而非任何的量度或算法，这一点不应该也不会被改变。

注释

1） 唤醒是一种反映神经系统激活程度的生理和心理状态。唤醒与人对外界刺激的注意、信息处理、记忆等过程相关。

2） 人因量谱图是对人的空间体验进行图解分析的工具。